Ст.н.с. д-р инж. Иван Кацарски
Тази статия представлява осъвременена редакция на доклад със заглавие Digital Photogrammetry, but how? [1] (Дигитална фотограметрия, но как?), отпечатан на английски в сборника на Международния симпозиум “Съвременните технологии, образованието и професионалната практика в геодезията и свързаните с нея области”, състоял се в София на
4 и 5 ноември 2004 г.
Развитие на фотограметрията
Корените на фотограметрията се намират далече преди оформянето й като наука, дори преди откриването на фотографията. Нейното развитие обхваща няколко периода. Според Готфрид Конечни [2], професор emeritus на Хановерския университет и бивш президент на Международното дружество по фотограметрия и дистанционни изследвания (ISPRS), тези периоди (в приблизителни граници) са следните:
· Мензулна фотограметрия (от 1850 до1900 г.) – наричана “Метод на Лоседа” (по името на Aime Laussedat, 1819-1907). Този период има за начало откриването на фотографията от Joseph Nicephore Niepce (1756-1833) и Lois Mande Daguerre (1789-1850).
· Аналогова фотограметрия (от 1900 до 1960 г) – характерна с използването на стереоскопията като измерителен принцип в стереофотограметрията и с въвеждането на подходящи платформи: въздушният кораб на Graf Ferdinand von Zeppelin (1838-1917) и моторният самолет на братята Wright – Wilbur (1867-1912) и Orville (1871-1848).
· Аналитична фотограметрия (от 1960 г.), която започва с изобретяването на електронната сметачна машина и съществените практически приложения от формулирането на аналитичните методи (например, от Sebastian Finsterwalder, 1862-1915).
· Дигитална фотограметрия (от 1980 г.) – предхождана от изстрелването на първия изкуствен спътник на Земята – Спутник (1957 г.), а по-късно Landsat (1972 г.), като междувременно са изстреляни и други изкуствени спътници.
Начало и етапи в България
Нашата страна първа на Балканския полуостров започва да прилага фотограметрията. Това става само 30 години след края на Руско-Турската война (1877-1978 г.). През своя дълъг и плодотворен път, белязан от резултатните усилия на три поколения професионалисти, българската фотограметрия преминава през всички основни етапи на развитие:
· Земна, въздушна и космическа.
· Аналогова, аналитична и дигитална.
· Топографско, кадастрално и специално картографиране в различни мащаби, за различни цели и в различна форма (графична, дигитална).
· Нетопографски приложения (Близкообхватна фотограметрия)
Основи на дигиталната фотограметрия
Съвременното развитие на компютърните технологии, както и теоретичните изследвания в областта на обработването на образи направиха възможно прилагането на дигитални технологии. Така се обособи дигиталната (растерната) фотограметрия.
Наименованието включва една сравнително нова форма на фотограметрията, която се основава на дигитални (softcopy) образи, за разлика от аналоговата и аналитичната фотограметрия, които се основават на образи върху филм (hardcopy). Дигиталните образи се създават от дигитални системи, които са трета генерация фотограметрични средства, предхождани от аналитичните (втора генерация) и аналоговите (първа генерация) картировъчни системи.
За разлика от аналоговата и аналитичната фотограметрия при дигиталната извличането на метрична и семантична информация за заснетия обект чрез дигитални образи, които са получени направо от дигитална камера или чрез сканиране на фотоснимки, получени от аналогова камера.
Възможности на дигиталните системи
Дигиталните системи могат да подпомагат всички процеси на картното производство, след като са изпълнени съответните предварителни работи (аероснимане и определяне на опорни точки). В дигиталната система може да бъде въведен резултатът от автоматизиране на геодезическата работа (GPS-наблюдения от въздуха или земната повърхност).
С дигиталните системи се прави дигитална аеротриангулация, създават се дигитални височинни и теренни модели (DEM /DTM), извършва се планиметрично картиране, изобразява се релефът на терена чрез хоризонтали, прави се дигитална ортофотоскопия, изпълняват се картографски и репродукционни задачи, осъществява се картоиздаване.
Подход при дигиталната фотограметрия
При дигиталната фотограметрия за придобиване на начална метрична и семантична информация за заснетия обект, т. е. за получаване на неговия дигитален образ, се прилага един от следните два начина:
· Посредством дигитални метрични камери, които заснемат обекта в дигитален вид. В този случай светлинните лъчи, които идват от обекта и попадат в образната равнина, се регистрират дигитално (електронно) чрез сензорите на дигиталната камера.
· Посредством сканиране на фотоснимки, които са направени с метрични фотокамери. Този начин за сега е по-разпространен, поради наличието в практиката на значителен брой висококачествени метрични аерофотокамери, висококачествени фотографски материали, както и сравнително високата цена на дигиталните камери. Постепенно обаче дигиталните аерокамери започват да изместват аналоговите аерокамери.
Придобитата информация се въвежда в компютър, който генерира образи, разпознаваеми от човешкото око.
Дигитални фотограметрични образи
Един черно-бял дигитален образ се представя посредством двуизмерна (2D) матрица G и нейните елементи g (m, n), които се изменят заедно с изменението на координатите x, y на образните точки. Броят на пикселите, както и на съответните им двойки образни координати, е краен, а не непрекъснат, както при фотографските образи. Поради това дигитализираните координати могат да бъдат само дискретни стойности m, n. Мястото на всеки елемент в матрицата G се определя от неговите образни координати:
(1) x = xо + mΔx , y = yо + n?y ,
където m = 0, 1, 2, … M , n = 0, 1, 2, … N ,
Δx и Δy са интервалите на дигитализиране (размер на пиксела).
На практика се приема Δx = Δy и N = M. За елементите g (m, n), съответстващи на един пиксел от матрицата G, се взимат само дискретни стойности. В случая може да се каже, че образите са били “моделирани”, а техните стойности са били “квантизирани” (разделени на части).
Матрицата G, чиито елементи са стойностите g (m, n), може да бъде представена по следния начин:
|| g(0, 0) g(0, 1) . . . . . . . . . . g(0, N-1) ||
|| g(1, 0) g(1, 1) . . . . . . . . . . g(1, N-1) ||
(2) G = || . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ||
|| . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ||
|| g(M-1, 0) g(M–1, 1) . . . g(M–1, N–1) ||
Матрицата (2) представлява точен дигитален образ. На всеки неин елемент съответства пиксел. Стойността g (m,n), отнесена към всеки пиксел, означава неговото равнище.
Носители на информация
В дигиталната фотограметрия носители на информация са пикселите (pixel = picture element). Стойността на пиксела зависи от регистриращата апаратура (дигитална камера, скенер за фотоснимки) и от използвания компютър. За черно-белите снимки пикселните стойности представят сивите стойности. При цветните снимки има 3 образни матрици G с един и същ размер, т. е. съществува образен блок от 3 слоя. При наслагването на трите матрици компютърът симулира цветен образ, какъвто човешкото око е свикнало да вижда. Цветните образи заемат 3 пъти повече компютърна памет, отколкото черно-белите образи.
Създаване на дигитални образи
При дигиталната фотограметрия, за да се постигне или надхвърли точността на измерване, присъща на аналитичната фотограметрия, е необходимо размерът на пиксела в образната равнина да бъде няколко микрометра. Ако постигането на определена точност не е от първостепенно значение, а се търси някакво друго характерно свойство на дигиталната фотограметрия, по-голям пиксел би бил задоволителен. Това, например, може да се отнася за дигиталния ортофотоплан, който е типичен и широко разпространен продукт на дигиталната фотограметрия.
Когато задачата изисква висока точност и действането в реално време не е от съществено значение, дигиталната фотограметрия все още в много случаи има за начален носител на информация фотоснимките. Сканирането се изпълнява след фотолабораторното проявяване на аерофилма, което се извършва посредством филмов процесор.
Технически средства за дигитална фотограметрия
Техническите средства, използвани в дигиталната фотограметрия са:
· Дигитални метрични камери.
· Фотограметрични скенери.
· Дигитални фотограметрични работни станции.
Дигитални метрични камери
Образната равнина на една дигитална метрична камера служи за регистриране съдържанието на пространствени обекти в двуизмерното поле на сензорите на камерата. В сравнение с метричните аерофотокамери с дигиталните метрични аерокамери се постига:
· По-висока радиометрична разделителна способност.
· Възпроизводима цветна информация.
· По-евтин дигитален образ отколкото фотообраза (спестяват се филм, обзавеждане на фотолаборатория и фотографски процеси).
· Избягва се сканиране на фотоснимките (негативен филм или диапозитиви).
· Незабавна наличност на дигитални образи (без междинния процес за сканиране на фотообраза).
Сензорите в дигиталните метрични камери са предимно от типа CCD (Charge Coupled Device), които са малки, надеждни и стабилни. Дигитални метрични камери с такива сензори са известни още като CCD-камери.
На ХІХ конгрес на Международното дружество по фотограметрия и дистанционни изследвания (ISPRS) през 2000 г. в Амстердам фирмите Zeiss / Intergraph Imaging и Leicа-Helavа представят техните дигитални аерокамери. През 2002 г. Z / I Imaging произвежда първата дигитална аерокамера DMC. На ХХ конгрес на ISPRS през 2004 г. в Истанбул фирмите Vexcel Imaging, Rollei Fototechnic GmbH и Wehrli & Associates Inc. представят дигитални камери. Сега около 25 фирми в света произвеждат дигитални камери, основаващи се на различни принципи. Не всички обаче могат да се използват за фотограметрични измервания, а някои от тях имат друго предназначение.
Дигитални метрични камери, например, са:
· DMC 2001 (Digital Modular Camera) на Zeiss /Intergraph Imaging.
· ADS 40 (Airborne Digital Sensor) на Leica – Helava.
· Digital Aerial Camera UltraCamD на Vexcel Imaging.
· DSS (Digital Sensor System) на Emerge.
· DiMAC (Digital Modular Aerial Camera) на Aerophoto-Dimac.
· ADPS (Aerial Digital Photographic System) на Kodak.
· ADC (Aerial Digital Camera) на Tetracam Co.
· AMDC (Airborne Multispectral Digital Camera) на SenSyTech Co.
· MC (Multi-spectral Camera) на Redilke Co.
· TS-1 (Terra Sim-1) сamera на STI Services Co.
· DAIS-1 (Digital Airborne Imaging System-1) на Terra Systems Co.
· SpectraView multispectral camera на Airborne Data Systems Co.
· AirCam System на Kestel Corp.
· AEROCam (Airborne Environment Research Observation Camera) на Upper Midwest Aerospace Consortium.
· MF-DMC (Medium-Format Digital Mapping Camera) на GeoTechnologies Cо.
· AIMS (Airborne Integrated Mapping System) на Ohio State University.
· DSC-460 small format digital camera на Kodak.
· DATIS II medium format digital camera на 3Di.
· RAMS (Remote Airborne Mapping System) на Ener Quest Co.
· ЦТК-140 и ЦТК-70 (Цифровая топографическая камера) на Космос-НТ.
· 3-DAS-1 (Digital Aerial Scaner) с ASP-1( Stabilized Platform) на Wehrli & Associates Inc.
· DigiCAM (Digital Aerial Camera Systems| на IGI mbH
· Rollei dp3210 semimetric и Rollei AIC modular LS на Rollei Fototechnic GmbH.
· JXDC8K Super Aero Digital Camera на Beijin Geo-Vision Tech. Co., Ltd.
Според информация, получена по време на 49-та Фотограметрична седмица, състояла се в Щутгарт през септември 2003 г., Z / I Imаging и Leica са продали свои дигитални метрични аерокамери, както следва:
· DMC 2000 – 6 броя (САЩ – 2, Китай – 2, Германия – 1, Япония – 1).
· ADS 40 – 11 броя (САЩ – 5, Япония – 2, Русия – 2, Австралия – 1 , Южна Америка – 1).
Също според информация, получена по време на 51-та Фотограметрична седмица, състояла се през септември 2007 г., до 2006 г. са продадени 63 дигитални камери DMC на Intergraph и 50 дигитални камери ADS40 на Leica. За сравнение до 2005 г. са били продадени 28 броя от едната камера и 40 от другата.
Възможно е обаче информацията, до която авторът е имал достъп, да е непълна.
Страната ни за сега не разполага с дигитални метрични аерокамери. Аерозаснемане с дигиталната аерокамера DMC обаче е извършено от германската компания Hansa Luftbild Sensonik und Photogrammetrie GmbH, Munster над територията на Софийската община по задание от “Географска информационна система – София” ЕООД.
Фотограметрични скенери
Скенерите са предназначени за превръщане на фотографския образ от фотоснимките (негативи, диапозитиви) в дигитален вид (ако заснемането не е извършено с дигитална камера), т. е. скенерите дигитализират фотообразите. Съществен конструктивен елемент в един скенер е сензорът.
Плоският фотограметричен скенер представлява прецизна подвижна CCD-камера, която се придвижва по целия образен формат (например 23х23 cm). Най-често скенерите осъществяват и прецизно придвижване на филма, за да бъде фиксиран пред CCD-камерата всеки последователен кадър. Така се дава възможност да бъде сканиран, както форматен филм, така също и ролфилм, с което се избягва копирането на диапозитиви или нарязване на оригиналния филм на отделни кадри.
Специалните плоски фотограметрични скенери датират от 1989 г., когато се появяват скенерите PS 1 (Zeiss / Intergraph Imaging) и VA 3000 (Vexcel Imaging).
Скенери, които сега се използват в дигиталната фотограметрия, например, са следните:
· PhotoScan 2001 на Zeiss / Intergraph Imaging.
· DSW 700 (Digital Scanning Workstation) на Leicа-Helava.
· UltraScan 5000 на Vexcel Imaging.
· DeltaScan на GeoSystem Scientific Production Enterprise.
· XL 10 на ISM International Systemap Corp.
· RM-4 Table-Top Scanner и RM-6 AutoScanner на Wehrli & Associates Inc.
В нашата страна са в експлоатация три фотограметрични скенера DeltaScan (GeoSystem Scientific Production Enterprise).
Дигитални системи
Дигиталните фотограметрични работни станции са ново поколение фотограметрични средства за извличане на метрична и семантична информация за заснетия обект (най-често земната повърхност) от дигитални образи. Тяхното проектиране се основава на аналитични фотограметрични алгоритми. За разлика от аналитичните картировъчни апарати, дигиталните системи нямат оптически и механични конструктивни елементи, тъй като решението се изпълнява изцяло чрез компютърно (софтуерно) обработване на дигитални образи.
Дигиталният фотограметричен апарат е компютър с присъединени към него подходящи периферни устройства, например:
· Монитор (53 cm) с висока разделителна способност.
· Устройство за стереонаблюдение, например CrystalEyes active LCD shuttering Eyeware на Stereographics Corp.
· Триизмерни входни устройства (различен тип) – трек-бол, ролер, специална мишка, ръчни колела и педали.
За разделно представяне на два дигитални образа върху монитора на дигиталната работна станция се прилагат следните четири начина:
· Представяне на двата образа един до друг върху разделен екран и стереоскопичното им наблюдение със стереоскоп.
· Представяне на двата съответно оцветени образа върху целия екран и стереоскопичното им наблюдение посредством очила с допълнителни на двата образа цветове (анаглифен начин).
· Алтернативно представяне на двата образа върху целия екран при честота около 50 Hz и стереоскопичното им наблюдение със специални очила, алтернативно пропускащи и блокиращи светлината. За синхронизиране е необходим контролен кабел между екрана и очилата или безкабелен емитър Механичната версия с такива очила е заменена с очила със затвор от течен кристал. При честота по-висока от около 25 Hz очите на оператора виждат един стереоскопичен образ.
· Алтернативно генериране на два образа и синхронизираното им представяне върху поляризиран екран. За постигане на стереоскопичност операторът наблюдава екрана чрез поляризационни очила. С тези очила също се постига алтернативно наблюдение с лявото и с дясното око.
Първите дигитални фотограметрични работни станции са на Leica-Helava, Zeiss / Intergraph Imaging и Supresoft.
Дигитални фотограметрични работни станции, например, са:
· ImageStation 2001 на Zeiss / Intergraph Imaging.
· ImageStation SSK (Stereo Softcopy Kit) на Zeiss / Intergraph Imaging.
· SOCET SET (Softcopy Exploitation Tools) на Leica – Helava.
· DVP (Digital Video Plotter) на Leica – Helava.
· VirtuoZo на Supresoft.
· DELTA Digital Photogrammetric Station на GeoSystem Scientific Production Enterprise.
· DiAP (Digital image Analytical Plotter) на ISМ International System Corp.
· PHOTOMOD на Racurs Co.
· Geomatica OrthoEngine на PCI Geomatics.
· SoftPlotter на Automatic, Inc.
· ERDAS IMAGINE на ERDAS Inc.
· SIDIP (Simple Digital Photogrammеtry) на Университета в Хановер.
· JX-4C DPS V4.1 (Digital Photogrammetric System) на Beijin Geo-Vision Tech. Co., Ltd.
· PhoTopol Atlas Digital Photogrammetriuc Workstation на TopoL Software s.r.o.
· DVP Photogrammetric Software на DVP Geomatic Systems
Нашата страна разполага с по няколко инсталации от следните дигитални фотограметрични работни станции:
· SOCET SET (Leica-Helava).
· DVD ( Leica-Helava).
· DELTA (GeoSystem Scientific Production Enterprise).
· DiAP (ISM International System Corp.).
· PHOTOMOD (Racurs Co.).
· Geomatica OrthoEngine (PCI Geomatics).
· ERDAS IMAGINE (Erdas Inc.).
В статията “Технически средства в съвременната фотограметрия” [3], която е публикувана в сп. Геомедия, бр. 3, май-юни, 2008, са отпечатани снимки на дигитлната аерокамера DMC и фотограметричнния скенер DeltaScan.
Изводи от Щутгартските фотограметрични седмици
От изнесеното на 48-та, 49-та, 50-та и 51-та фотограметрични седмици, състояли се в Щутгарт през 2001, 2003, 2005 и 2007 г., могат да се направят няколко заключения.
Дигиталната фотограметрия е напълно утвърдена в практиката, поради което съвременната фотограметрия е (почти) изключително дигитална. Аналоговата фотограметрия почти не се прилага в производството, а използването на аналитичната е ограничено. Производителността на дигиталната фотограметрия се е увеличила. Пазарът на дигиталните фотограметрични работни станции се е разширил, както и на метрични камери (през 2005 г. са използвани около 100 дигитални камери, докато през 2002 г. са били7). За сега няма на пазара нови голямоформатни дигитални аерокамери, но някои от известните камери имат усъвършенствани модели. Някои средноформатни дигитални аерокамери се монтират в група за получаване ефекта на голямофоматните камери. Все още има неясни въпроси за същинските възможности на дигиталните камери. Използването на аналогови (филмови) фотокамери продължава да е масово. Още около 10 години се очаква успоредно използване на аналоговите и дигиталните камери. Съвременното аерозаснемане е почти изключително цветно. Аерофилмите на водещите производители на фотоматериали са с по-високо качество, целящо да се запази използването на филмови фотокамери. Създадени са модули за аеротриангулация със спътникови снимки. Краен продукт на дигиталната фотограметрия е предимно ортофотоплан. По-често става практика надлъжното и напречното препокриване между съседните аеросимки да се увеличава от 60% на 80% и от 25 или 30% на 60%. Продължава разширеното използване на спътникови снимки предимно за обновяване на дребномащабни и средномащабни, а дори и едромащабни топографски карти. Започва прилагане на малки и леки системи за аерозаснемане, предсавляващи комбинация от нестандартен летателен апарат и видеокамера.. Някои от тези системи имат маса до 20 кг, радиус на действие 500 m с продължителност 20 мин. Подходящи са например за заснемане на малки линейни обекти. Ползвателят получава компютърна информация (данни, количества) за всеки етап от изпълнението на задачата. Комбинирано се прилагат на лазерната алтиметрия и стереофотограметрията (и двете въздушни или земни). Разширява се прилагането на други средства за получаване информация за терена, например: LIDAR (Light Detection And Ranging) и ALS (Aerial Laser Scanner). Значително място заема триизмерното (3D) онагледяване за представяне на градска среда, архитектурни и археологически паметници. Настъпило е прегрупиране на някои фирми, свързани с фотограметрията.
Въвеждане на дигиталната фотограметрия
При въвеждане на дигиталната фотограметрия в производството би трябвало да се имат предвид очакваният обем и вид фотограметрична продукция; наличната фотограметрична снимачна и измерителна апаратура; техническата нормативна уредба за дигитална фотограметрия; характеристиките и цените на предлаганите на пазара дигитални снимачни и обработващи системи; готовността на професионалистите да организират и изпълняват обекти, изработвани посредством дигитална фотограметрия; изискванията на нормативната уредба за произвеждане, съхранение, разпространение и ползване на дигиталната информация.
Съображения при въвеждането
Предполага се, че в началото на въвеждане на дигитална фотограметрия в една стопанска структура най-напред ще бъде доставена дигитална фотограметрична работна станция. Стои въпросът за начина на заснемане на обектите. Възможно е заснемане с аерофотокамера или с дигитална аерокамера. Заснемането с дигитална аерокамера е за предпочитане поради редица технически и икономически причини. От друга страна обаче това предполага в производството да се използват само дигитални фотограметрични работни станции. Заснемането с аерфотоокамера дава възможност при значителен обем продукция, част от нея да се обработва и с аналогови или аналитични апарати. Това предполага обаче наличие на фотограметричен скенер. Заснемането с дигитална камера или аерофотокамера може да се възложи за чуждестранна фирма. Това изисква уреждане на редица формалности от различен характер, като: достъп и прелитане на самолет над страната, контролиране изпълнението на одобрения план за летене, изнасяне на аерофилма (при заснемане с аерофотокамера) за проявяване и сканиране извън страната или постпроцесинг на първичната дигитална информация. При проучването и подготовката за доставяне на апаратура за дигитална фотограметрия (аерокамера, скенер, работни станции) не трябва да се имат предвид само номиналните качества, които са обявени от производителите и дистрибуторите, а също така отзивите в международните професионални издания. За страна с нашия размер и икономически възможности, при наличие на дигитални фотограметрични работни станции, е достатъчно на първо време доставянето на един фотограметричен скенер (поради високата му производителност), а в последствие и на дигитална метрична аерокамера.
Литература
- Katzarsky, I. Digital photogrammetry, but how? Международен симпозиум “Съвременните технологии, образованието и професионалната практика в геодезията и свързаните с нея области”, Доклади, София, 4-5 ноември 2004
- Konecny, G. The International Society for Photogrammetry and Remote Sensing – 75 year old or 75 young. Fals Church, Virginia, Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 51 (7), 1985.
- Кацарски, И. Технически средства в съвременната фотограметрия. София, Геомедия, 3, май-юни, 2008.
